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Entwicklung eines bioartifiziellen Nierentubuluskonstruktes auf Basis humaner Nierenepithelzellen
(2009)
Bei einem chronischen oder akuten Ausfall der Niere stehen im klinischen Alltag extrakorporale Nierenersatzverfahren, wie die Hämodialyse, Hämofiltration und Hämodiafiltration zur Verfügung. Die genannten medizinischen Verfahren bilden nur die physikalischen Prinzipien des Glomerulus ab und können die, über eine reine Stofftrennung hinausgehenden, im Besonderen die komplexen, physiologischen Funktionen des renalen Tubulussystems nicht nachbilden. Die mit dem Ausfall der Nierenfunktion verbundenen metabolischen und endokrinen Störungen werden somit nicht ausreichend korrigiert und sind Ursache der hohen Morbidität und Mortalität dieser Patientengruppe durch kardio-vaskuläre sowie inflammatorische Komplikationen. Mit der Anwendung des Tissue Engineerings, der Integration von Zellen bzw. Geweben und deren biologischer Funktionen in form- und funktionsgebende Substrate stünden für diese Problematik Methoden zur Verfügung, die fehlenden biologischen Funktionen der Tubulusepithelien der Niere in die bereits vorhandenen, modernen Nierenersatztherapien zu integrieren und den Patienten zur Verfügung zu stellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Membranmaterialien, Kulturbedingungen wie Sauerstoffbedarf, Medienformulierungen und Strömungszustände identifiziert, Systeme und Methoden entwickelt, die es ermöglichen, ein BTK mit primären, humanen Tubuluszellen zu bilden und über mikroskopische Methoden den Differenzierungsstatus der Zellen innerhalb der Membrankapillaren zu erfassen. Der Sauerstoffbedarf distaler und proximaler Tubulusepithelzellen wurde unter verschiedenen Bedingungen ermittelt und führte zusammen mit einem Literaturvergleich sowie theoretischen Betrachtungen der maximalen Scherkräfte zur Auslegung der in vitro Perfusionsparameter des entwickelten Kultursystems. Es konnte ein klinisch etabliertes Membranmaterial identifiziert werden, welches den primären Zellen ohne vorherige Bioaktivierung als ein optimales Substrat dient und somit spätere Zulassungsverfahren für den klinischen Einsatz vereinfacht. Die Entwicklung eines serumarmen Mediums für die Kultur der primären Zellen stellte sich als wichtigster Schritt in der Übertragung der zuvor mit permanenten Zelllinien entwickelten Systeme und Methoden heraus. Mittels mikroskopischer Methoden (REM & CLSM) konnte die Differenzierung der verwendeten Tubulusepithelzellen innerhalb der Hohlfasermodule anhand spezifischer Marker nachgewiesen und somit der Erfolg der in dieser Arbeit entwickelten Systeme und Methoden dokumentiert werden. Trotz des Nachweises der prinzipiellen Machbarkeit im Labormaßstab, stellt die verwendete Zellquelle aufgrund der geringen Verfügbarkeit im Upscaling Prozess vom Labor hin zu einem klinischen Therapieverfahren, die größte Hürde dar. Aktuelle Entwicklungen bei der Identifizierung adulter Stammzellfraktionen der Niere, im Besonderen der Beitrag CD133+ Zellen bei der Tubulusregeneration wurden in dieser Arbeit aufgegriffen. Die Ergebnisse des durchgeführten CD133 Screenings der verwendeten Zellfraktionen zeigen, dass gerade die hochaufgereinigten, proximalen und distalen Fraktionen einen verminderten Anteil dieser potentiellen Stammzellfraktion enthalten. Weniger aufgereinigte Fraktionen könnten somit eine Alternative bei der zukünftigen Entwicklung von bioartifiziellen Tubuluskonstrukten darstellen.
Der suprachiasmatische Nucleus (SCN) des Hypothalamus enthält die zentrale innere Uhr der Säugetiere. Diese innere Uhr besteht aus einem Verbund von untereinander gekoppelten Neuronen, die durch ein intrinsisches molekulares Uhrenwerk eine selbsterhaltende Oszillation mit einer Periode von circa einem Tag (circadian) aufrechterhalten. Diese Oszillation dient dem Organismus als innere Uhr und muss, da ihre Periode nicht exakt 24 Stunden beträgt, durch Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden. Der wichtigste circadiane Zeitgeber ist das Licht. Die Lichtsignale gelangen von der Retina über den retinohypothalamischen Trakt (RHT) direkt zum SCN. Von dort werden circadiane Informationen an zentrale und periphere Effektoren weitergeleitet, unter anderem an das Pinealorgan, welches zyklisch das Hormon Melatonin als Dunkelheitssignal ausschüttet. Melatonin kann wiederum auf die circadiane Uhr zurückkoppeln und in einem engen, sensitiven Zeitfenster die Phasen des SCN verschieben. Neben diesem Regelkreis gibt es direkte Verbindungen vom SCN zum lateralen Hypothalamus (LH), der eine zentrale Rolle bei der Regulation des Schlafes und der Energiehomöostase innehat. Ein spezieller Neuronentyp des LH schüttet das Neuropeptid Orexin aus, das große Bedeutung bei der Schlafregulation und der Appetitbildung besitzt. Diese orexinergen Neurone projizieren in weite Teile des Gehirns, unter anderem in die Region des SCN, was aufgrund der bekannten Wechselbeziehungen zwischen circadianer Aktivität, Schlaf und Appetit auf eine Rückkoppelung auf das circadiane System schließen lässt. In der vorliegenden Arbeit wurden mit Hilfe von Multielektroden-Ableitungen (MEAs) die neuronalen Signale einzelner Zellen des SCN, die zusammen ein komplexes Netz für die Steuerung der Effektormechanismen bilden, analysiert. Es standen dabei folgende Fragestellungen im Vordergrund: Bieten primäre Zellkulturen von SCN-Neuronen ein ausreichendes Modell für die Untersuchung der zellulären Kommunikation und der neuronalen Ausgangssignale der circadianen Uhr? Wirken Zeitgebersignale direkt auf die primären Oszillatoren oder sind Phasenverschiebungen eine Eigenschaft des gesamten Netzwerkes im SCN? Besteht ein Einfluss der orexinergen Neurone des lateralen Hypothalamus auf die Uhren-Neurone im SCN? Auf Multielektrodenplatten kultivierte SCN Neurone sind spontanaktiv und zeigen über Tage und Wochen ausgeprägte circadiane Rhythmen in ihrer Spikerate. In der Regel sind diese Aktivitäts-Rhythmen einzelner Neurone nicht synchronisiert, obwohl die Zellkulturen zahlreiche synaptische Verbindungen und korrelierte Aktivität aufweisen Um die Interaktion der verschiedenen Neuronen innerhalb des Uhrennetzwerkes aufzuklären, wurde eine Methode basierend auf Kreuzkorrelationen entwickelt. Mit dieser Methode konnte gezeigt werden, dass korrelierte Aktivität in SCN-Zellkulturen verbreitet ist, die stabilen Oszillatoren davon jedoch immer ausgenommen waren, obwohl eine durchgehende Vernetzung innerhalb der Kulturen bestand. Somit bilden Zellkulturen von SCN Neuronen ein sehr heterogenes Netzwerk mit stabilen Oszillatoren, schwachen Oszillatoren und nicht rhythmischen Neuronen, das viele einzelne Uhren elastisch miteinander koppelt und mit verarbeiteten Informationen über äußere und innere Zustände versorgt. Stabile Oszillatoren können direkt durch Zeitgeber-Stimuli, wie zum Beispiel Melatonin, beeinflusst und in ihren Aktivitäts-Phasen verschoben werden. Die Phasen-Antwortkurven sind im Vergleich zu in vivo Untersuchungen jedoch variabler, was für eine starke Beteiligung des neuronalen Netzwerkes bei der Verarbeitung und Stabilisierung der Antworten auf die Zeitgeber-Stimuli spricht. Phasenverschiebungen als Reaktion auf einen Zeitgeber-Stimulus sind demnach eine Eigenschaft der einzelnen Oszillatorzelle, die aber durch die Interaktion der verschiedenen Uhren-Neurone in ein stabiles Ausgangssignal umgesetzt werden müssen. Kultivierte SCN-Neurone reagieren auf Applikation von Orexin A mit kurzzeitigen Änderungen der Spikerate, sowie mit deutlichen Phasenverschiebungen, die in Zellkulturen sehr variabel ausfallen, während sie in Ableitungen von organotypischen Hirnschnitten stabil und reproduzierbar sind. Dies unterstreicht wiederum die Bedeutung des neuronalen Netzwerkes im SCN. Orexin A scheint zwar direkt auf stabile Oszillatorzellen einzuwirken, aber auch auf die synaptische Übertragung zwischen den SCN-Neuronen. Sein Wirkungsmechanismus könnte dabei in einer Hemmung der GABAergen und in einer Verstärkung der glutamatergen synaptischen Übertragung liegen. Die Wirkung von Orexin A im SCN spricht für eine vielfältige Rückkoppelung des orexinergen Systems auf den circadianen Schrittmacher.
Ziel der Arbeit war die Analyse von langen eukaryotischen Signalpeptiden, mit einer Länge von mindestens 40 Aminosäuren, und ihre Diskriminierung zu kurzen SP. Signalpeptide sind notwendig, um die im Cytosol translatierten Proteine zum Ort ihrer Funktion zu dirigieren. Sie spielen dadurch eine fundamentale Rolle bei der Entwicklung von Zellen. Signalpeptide weisen keine Sequenzhomologie, aber einen typischen, in drei Regionen gegliederten Aufbau (n-, h-, c-Region) auf. In den letzten Jahren wurden zunehmend Beispiele von Signalpeptiden gefunden, die neben dem Targeting zum endoplasmatischen Retikulum weitere Post-Targeting-Funktionen aufweisen. Auffällig ist hier die besondere Länge der Signalpeptide. Für die Analyse dieser langen Signalpeptide standen bis jetzt keine gezielt entwickelten Vorhersageprogramme zur Verfügung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde diese Gruppe langer Signalpeptide untersucht und ein Modell zu deren interner Organisation entwickelt. Das entwickelte „NtraC“-Modell erweitert etablierte sequenzbasierte Ansätze für kurze SP um eine Sekundärstruktur-motivierte Perspektive für lange Sinalpeptide. Zuerst wird dabei ein Übergangsbereich (transition area, N„tra“C), der potentiell β-Turn bildende Aminosäuren enthält, identifiziert. Dieser dient im Modell zur Zerlegung des SP in zwei hinsichtlich ihrer Funktion unabhängige Domänen: eine N-terminale N-Domäne (‚N’traC) und eine C-terminale C-Domäne (Ntra‚C’). Diese mit bekannten Vorhersageprogrammen nicht identifizierbaren „kryptischen“ Domänen innerhalb der Signalpeptid-Sequenz können unterschiedliche Targeting-Kapazitäten aufweisen und entsprechen für sich genommen eigenständigen Protein-Targeting-Signalen. Im Fall einer ER-Targeting Kapazität z.B. weist eine Domäne für sich genommen eine n-, h-, und c-Region auf. 63% aller Vertebrata-Signalpeptide entsprechen der in dieser Arbeit vorgeschlagenen NtraC-Organisation. Eine basierend auf dem NtraC-Modell vorgeschlagene Architektur für die langen Signalpeptide von shrew-1 (43 Aminosäuren), DCBD2 (66 Aminosäuren) und RGMA (47 Aminosäuren) wurde vom Autor selbst in vitro überprüft. Für alle drei Proteine wurden eine N-Domäne mit mitochondrialer Targeting-Funktion und eine C-Domäne mit Signalpeptid-Funktion vorhergesagt. Die langen Signalpeptide der Proteine wurden bisher als reine ER-Targeting-Signale betrachtet. Die vorliegende Studie zeigt jedoch, dass in diesen langen Signalpeptiden multiple Targetingsignale kodiert sind. Die ER-Targeting-Kapazität der C-Domänen wurde durch SEAP-Assays überprüft, die mTP-Funktion der N-Domäne durch biochemische Aufreinigung von Mitochondrien. Die in silico-Vorhersagen konnten in vollem Umfang für alle drei Proteine in vitro bestätigt werden. Eine Untersuchung der semantischen Wolke aller Proteine mit NtraC-organisiertem Signalpeptid zeigte, dass eine NtraC-Organisation in mehr als 50% der Fälle im Zusammenhang mit Typ-I Transmembranproteinen auftritt. Auch die Proteine der hier experimentell untersuchten Signalpeptide von shrew-1, DCBD2, RGMA sind Typ-I Transmembranproteine. Des Weiteren weisen 15% aller langen Vertebrata-Signalpeptide eine Domänen-Kombination analog zu shrew-1, DCBD2 und RGMA auf. Der gefundene analoge Aufbau der langen Signalpeptide könnte somit funktionelle Gruppen von Proteinen zusammenführen, die bisher anderweitig nicht gruppiert werden konnten. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass bakterielle Autotransporter Gram-negativer Bakterien in Variation ebenfalls eine NtraC-Organisation in ihren Signalpeptiden aufweisen. Gleiches konnte für Gruppen langer viraler Signalpeptide gezeigt werden. Das NtraC-Modell ist somit nicht auf Vertebrata-Signalpeptide beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell zur Domänen-Architektur langer Signalpeptide entwickelt und erfolgreich angewendet: das NtraC-Modell. Ein Vorhersage-Algorithmus zur in silico-Untersuchung langer Signalpeptide wurde implementiert und in einer webbasierten Benutzeroberfläche öffentlich zugänglich gemacht. Das Modell trifft auf 63% der annotierten langen Vertebrata-Signalpeptide zu. Des Weiteren wurden, basierend auf dem NtraC-Modell, für die langen Signalpeptide von drei Proteinen (shrew-1, DCBD2, RGMA) in vitro-Versuche durchgeführt. Die erhaltenen in vitro-Ergebnisse unterstützen klar die These, dass lange Signalpeptide eine aus definierten Domänen bestehende Organisation aufweisen können.
Das Hormon Erythropoetin (EPO) ist ein hitzestabiles Glykoprotein, welches als wesentlicher Wachstumsfaktor an der Erythropoese beteiligt ist. EPO wird sauerstoffabhängig in Leber und Niere synthetisiert. Da EPO in Zellen nicht gespeichert wird, ist seine Sekretionsrate durch die Syntheserate bestimmt. Unter Hypoxie wird über einen hypoxieinduzierbaren Faktor (HIF-1) die Transkription des EPO-Gens angeregt. Mycophenolat Mofetil (MMF) wird erfolgreich bei transplantierten Patienten als Immunsuppressivum eingesetzt. MMF ist ein nichtkompetitiver, reversibler Hemmer der Inosinmonophosphatdehydrogenase (IMPDH), die essentiell für die de novo Purinsynthese in Lymphozyten ist. MMF soll selektiv antiproliferativ auf Lymphozyten wirken, ohne einen unspezifischen knochenmarkdepressiven Effekt zu haben. Trotzdem wurden bei bis zu 15% der nierentransplantierten und nahezu der Hälfte aller herztransplantierten Patienten unter immunsuppressiver Therapie mit MMF Anämien beschrieben. Die Genese dieser Anämien ist noch unklar und könnte durch eine reduzierte EPO-Produktion unter MMF bedingt sein. In dieser Untersuchung wird deshalb der Effekt von MMF auf die EPO-Freisetzung aus HepG2-Zellen in vitro analysiert. HepG2 und Hep3B Zellen sind ein etabliertes Zellkulturmodell zur Untersuchung der Regulierung hypoxieabhängiger EPO-Sekretion. MMF vermindert zeit- und konzentrationsabhängig die mittels ELISA gemessene EPO-Konzentration im Zellüberstand von HepG2-Zellen – im Mittel etwa auf die Hälfte des Ausgangswertes (p < 0, 001). Dieser Effekt ist signifikant ab einer Konzentration von 0,1 µM MMF und maximal bei 5 µM MMF. Eine signifikante Inhibition der EPO-Sekretion war erst nach 48stündiger Inkubation mit MMF nachweisbar. Unspezifische Effekte auf Proliferation und Proteinsynthese sowie zytotoxische Effekte wurden mittels verschiedener unabhängiger Methoden weitgehend ausgeschlossen. Der Effekt von MMF auf die EPO-Sekretion konnte durch Zugabe von Guanosin aufgehoben werden, was für eine kausale Rolle der IMPDH in diesem Zusammenhang spricht. Analog zu der sezernierten EPO-Menge verminderte sich auch die Menge der gebildeten EPO-mRNA unter MMF. Zudem ist die Aktivität von HIF-1 unter MMF gemindert. Im Gegensatz zu MMF zeigen andere Immunsuppressiva wie der Purinsynthesehemmer Azathioprin und die Calcineurininhibitoren Cyclosporin A und Tacrolimus keinen spezifischen Effekt auf die EPO-Freisetzung von HepG2-Zellen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß die Minderung der EPO-Sekretion im Zellkulturmodell ein Erklärungsansatz für die beobachteten Anämien unter MMF sein könnte. Eine Therapie der Anämie mittels EPO-Substitution erscheint daher sinnvoll.
Die Alzheimer-Demenz (AD) ist gekennzeichnet durch extrazelluläre Ablagerungen des Amyloid-beta-Peptids (Aß), durch neurofibrilläre Bündel bestehend aus dem Tau-Protein, massiven Neuronenverlust und synaptische Dysfunktion. Weiterhin ist bekannt, dass mitochondriale Dysfunktion sowie ein gestörter NO-Stoffwechsel eine entscheidende Rolle bei der AD spielen. Um genauere Informationen über die Ursache der mitochondrialen Dysfunktion zu erhalten, wurden akute, chronische und dosisabhängige Effekte von Aß auf die NO-Produktion und die mitochondriale Funktion untersucht. Als Zellkulturmodelle standen PC12- und HEK-Zellen zur Verfügung, die entweder mit humanem Wildtyp-APP (APPwt) oder mit der schwedischen Doppelmutation im APP-Gen (APPsw) stabil transfiziert waren. APPsw-PC12-Zellen wiesen Aß-Spiegel im pikomolaren Bereich auf. Im Vergleich dazu hatten APPsw-HEK-Zellen ca. 20fach erhöhte Aß-Spiegel im niedrig-nanomolaren Bereich. Interessanterweise wiesen sowohl APPsw-PC12- als auch APPsw-HEK-Zellen im Vergleich zu den jeweiligen Kontrollzellen signifikant erhöhte NO-Spiegel auf. Dies ging in beiden Zellsystemen mit signifikant erniedrigten ATP-Spiegeln einher. Die Inkubation untransfizierter Zellen mit extrazellulärem Aß1-42 führte nur zu einem schwachen Anstieg der NO-Spiegel und zu einem leichten Abfall der ATP-Spiegel. Dies weist darauf hin, dass in erster Linie intrazelluläre Aß-Effekte den NO-Anstieg und die ATP-Reduktion bewirken. Die 48-stündige Inkubation mit dem gamma-Sekretasehemmstoff DAPT führte zur beinahe vollständigen Normalisierung der NO- und ATP-Spiegel in APP-transfizierten PC12- und HEK-Zellen. Das stützt die Hypothese, dass der gestörte NO-Stoffwechsel und die mitochondriale Dysfunktion durch Aß-Anreicherungen hervorgerufen werden und nicht durch eine Überexpression von APP. Passend zu den reduzierten ATP-Spiegeln zeigten APPsw-PC12-Zellen eine signifikant erniedrigte Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität. Des Weiteren konnte APP in Mitochondrien von APPsw-PC12-Zellen nachgewiesen werden. Die Reduktion der ATP-Spiegel und die verminderte Cytochrom-C-Oxidase-Aktivität können also zum einen durch die Aß-bedingten erhöhten NO-Spiegel und zum anderen durch die Anwesenheit von APP bzw. Aß im Mitochondrium hervorgerufen werden. Auf der Ebene des mitochondrialen Membranpotentials wiesen die beiden Zelllinien stark unterschiedliche Ergebnisse auf. APPsw-PC12-Zellen zeigten unter basalen Verhältnissen ein leicht hyperpolarisiertes mitochondriales Membranpotential, was auf einen Gegenregulationsmechanismus hinweist. APPsw-HEK-Zellen wiesen bereits basal ein signifikant erniedrigtes mitochondriales Membranpotential auf. Nach Inkubation mit dem gamma-Sekretasehemmstoff DAPT normalisierte sich sowohl die Hyperpolarisation des mitochondrialen Membranpotentials in APPsw-PC12-Zellen als auch die Depolarisation in APPsw-HEK-Zellen. Anhand der in dieser Arbeit gewonnenen Daten konnte ein Modell sowohl für die sporadische als auch für die familiäre AD entwickelt werden. APPsw-PC12-Zellen spiegeln hierbei die pathogenen Mechanismen in Patienten mit sporadischer AD wider, wohingegen APPsw-HEK-Zellen die initialen Veränderungen bei Patienten mit familiärer AD aufzeigen. Mitochondriale Fehlfunktion und ein gestörter NO-Stoffwechsel stellen entscheidende initiale Pathomechanismen bei AD dar. Innerhalb der Gruppe der Antidementiva konnte gezeigt werden, dass sowohl Ginkgo-biloba-Extrakt als auch Piracetam schützende Effekte auf die mitochondriale Funktion ausüben. Aufgrund der wichtigen Rolle von mitochondrialer Fehlfunktion in der Pathogenese der Alzheimer Demenz stellen Ginkgo-biloba-Extrakt und Piracetam zwei sehr interessante Präventions- und Therapieoptionen bei Patienten mit leichten kognitiven Störungen bzw. bei Patienten mit AD dar.
Das erstmals Ende 2002 im Süden Chinas aufgetretene schwere akute respiratorische Syndrom (SARS) führte bis zum August 2003 zu insgesamt über 8000 Erkrankungen und über 700 Todesfällen. Eine von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ins Leben gerufene Kooperation verschiedener Laboratorien weltweit ermöglichte innerhalb von nur vier Wochen die Identifizierung des kausalen Agens, eines bislang unbekannten Coronavirus (vorläufig bezeichnet als SARS-assoziiertes Coronavirus oder SARS-CoV), welches die Koch’schen Postulate erfüllt. Der Erreger lässt sich (unter Hochsicherheitsbedingungen) gut in Zellkulturen vermehren, was weitere Studien zur Stabilität sowie die Entwicklung von antiviral wirksamen Substanzen und Impfstoffen erleichtert.
Obwohl schon rasch diagnostische Labortests, insbesondere zum Nachweis der viralen Nukleinsäure und virusspezifischer Antikörper, zur Verfügung standen, basiert die Falldefinition von SARS weiterhin auf klinisch-epidemiologischen Kriterien. In Hinblick auf die Gefahr eines (saisonalen) Wiederauftretens der Infektion müssen die verfügbaren Labormethoden dringend überprüft und weiter verbessert werden.
SARS ist ein gutes Beispiel dafür, wie schnell sich eine Infektionskrankheit über den internationalen Reiseverkehr ausbreiten kann, aber auch dafür, wie wichtig in einem solchen Falle eine gut koordinierte internationale Kooperation ist; durch Einsatz neuester, aber auch bewährter konventioneller Labormethoden und ständigen Austausch aktueller (Zwischen-)Ergebnisse sowie von Patientenproben und Reagenzien führte eine bisher einmalige Zusammenarbeit schnell zu einem Durchbruch. Dies lässt auf ähnliche Fortschritte beim Kampf gegen weitere neuartige Infektionserreger hoffen.